Введение. В условиях развития строительства стальных каркасов многоэтажных гражданских зданий особую актуальность приобретает вопрос рационального проектирования монтажных стыков колонн, исходя из знаний о действительном характере напряженно‑деформированного состояния колонн. Данные стыки являются одними из ключевых узлов, определяющих несущую способность, устойчивость и пространственную жесткость каркаса. Нормативные документы содержат ограниченные рекомендации по выбору типа стыка в зависимости от напряженно‑деформированного состояния колонн, что требует дополнительных исследований и расчетно‑аналитических обоснований.

Материалы и методы. В работе выполнено параметрическое исследование напряженно‑деформированного состояния основных типов монтажных стыков колонн: стык с фрезерованным торцом, сварной и болтовой стыки на накладках, фланцевое соединение. Исследование работы стыков выполнено для наиболее распространенных в практике строительства типов каркасных систем. В качестве основного критерия, определяющего применимость типа стыка, выбран относительный эксцентриситет действия продольной силы в колонне. Расчетные усилия получены на основе линейного расчета пространственных моделей каркасов в ПК ЛИРА-САПР. Анализ работы узлов выполнен компонентным методом конечных элементов в ПК IDEA Statica. Критерием оценки эффективности соединений принят коэффициент использования несущей способности элементов стыка (сварных швов, болтов, пластин), а также показатели металлоемкости и скорости монтажа.

Результаты. Установлена зависимость коэффициента использования деталей и соединений монтажных стыков относительного эксцентриситета и типа каркаса. Определены области рационального применения различных типов стыков: при m ≤ 0,1 – стык с фрезерованным торцом, при 0,1 < m ≤ 2 – сварной стык на накладках и фланцевый, при 2 < m ≤ 5 – сварной и болтовой стыки на накладках, при m > 5 – болтовой стык на накладках. Выявлена нецелесообразность использования зазора между элементами колонн в соединениях на накладках и нерациональность использования физических методов контроля монтажных стыков колонн при m ≤ 0,1.

Выводы. Разработан алгоритм выбора рационального типа монтажного стыка колонн с учетом расчетных, конструктивных, монтажных и экономических критериев. Внедрение рекомендаций позволяет оптимизировать проектные решения, снизить металлоемкость и трудоемкость монтажа.

Введение. В работе рассмотрено напряженно-деформированное состояние стальной рамы с различными системами сейсмозащиты. Основной целью проведения численных исследований было сравнение способности гашения сейсмических нагрузок различными системами сейсмозащиты и определение коэффициента допускаемых повреждений К₁ и избыточной прочности Ω для рамы с расцентрованными связями. Так как в СП 14.13330.2018 нет данной конструктивной системы при выборе коэффициента К₁, а также нет никаких требований для учета избыточной прочности, надеемся, что данное исследование станет шагом вперед в совершенствовании норм по сейсмостойкому строительству нашей страны.

Материалы и методы. Исследование выполнялось в программном комплексе SAP2000 с учетом физической и геометрической нелинейности. Рассматривалась работа двухэтажной стальной рамы пролетом 6 м и высотой этажа 3 м с различными системами сейсмозащиты. Землетрясение моделировалось при помощи акселерограммы Эль-Сентро 1940 г. В качестве сейсмозащиты рассматривались система с жестким узлом балка-колонна, система с расцентрованными связями, система с центрованными связями и сейсмоизоляция в виде резинометаллических опор (РМО). Коэффициент К₁ и Ω вычислялись аналитическим методом на основании результатов МКЭ-расчета.

Результаты. Численно доказана способность к максимальному снижению усилий от сейсмического воздействия рамы с расцентрованными связями, усилия в элементах при пластификации энергопоглотителя (участок балки между связями) могут снижать усилия в элементах до 76 % по сравнению с другими системами сейсмозащиты. Выведен коэффициент допускаемых повреждений К₁=0.222 для рамы с расцентрованными связями. Также определены коэффициенты избыточной прочности Ω для элементов рамы с данным типом сейсмозащиты. Для колонн Ωк=3.47, для связей Ωсв=1.8, для балок Ωбалк=2.76.

Выводы. Исследование доказало существенное превосходство сейсмозащиты на основе системы с расцентрованными связями по сравнению с другими наиболее простыми в реализации системами. Также были выведены коэффициенты допускаемых повреждений К₁ и коэффициент избыточной прочности Ω для данной системы. По данным расчета коэффициентов К₁ и Ω следует вывод, что за счет пластических деформаций в энергопоглотителе усилия в элементах конструкции уменьшаются непропорционально. Поэтому, на взгляд авторов, введение одного только коэффициента К₁ согласно СП 14.13330.2018 для расчета на сейсмические воздействия является недостаточным, так как может привести к обрушению конструкции.

Введение. Статья посвящена аналитическому обоснованию работы прогонов в качестве распорки на основании изучения механических процессов и напряженно-деформированного состояния. В работе представлены дополнительные факторы, характеризующие включение прогона в совместную работу с конструкциями покрытия, такие как чернота отверстия болта, сила затяжки болтового соединения, влияние эксцентриситета опирания прогона к верхнему поясу фермы. В результате исследования установлено, что податливость соединения прогона к верхнему поясу фермы не является основанием для запрета применения прогона в роли распорки и не ухудшает его механические показатели.

Методы. Для оценки влияния податливости соединения выполнен анализ перемещений прогонов при работе в составе конструкций покрытия, в том числе с учетом эксцентриситета прикрепления, в пространственной постановке задачи, с учетом значения усилия затяжки болтов и влияния сил трения. Для численного расчета конструкций прогонов использован метод конечных элементов, реализованный в программном комплексе ЛИРА САПР. Предварительно прогон рассматривался как как изгибаемый стержень (балка) на нагрузки от собственного веса, веса кровли, ветра и снега.

Результаты. Перемещения верхних поясов по направлению действия горизонтальной нагрузки превышают размер люфта (1 – 1,5 мм) и варьируются в диапазоне от 0,324 мм до 3,2 мм. Таким образом, перемещения поясов фермы превышают запас податливости соединения и характеризуют срабатывание чернового отверстия, включая в работу болтовое соединение прогона к поясу фермы. Включение прогона в работу панели верхнего (сжатого) пояса фермы происходит за счет срабатывания люфта и превышающего его по значению расчетного начального несовершенства. В методику расчета центрально-сжатых стержней заложены несовершенства, превышающие по значению черноту отверстия, характеризуя тем самым незначительность возможного начального люфта. Сила трения, возникающая при неконтролируемой затяжке болтового соединения прогона к ферме, не может полностью препятствовать сдвигающим силам, заставляя срабатывать люфт и включать прогон в работу с верхними поясами ферм покрытия.

Обсуждение. Опирание прогона на верхний пояс с вертикальным эксцентриситетом незначительно влияет на перемещения конструкций покрытия из плоскости своей работы, позволяя не учитывать данный параметр в расчетной схеме. Нагружение прогона усилиями сжатия благоприятно влияет на несущую способность прогона, уменьшая пролетный момент. Крепление прогонов, как и связей, осуществляется на болтах с одинаковой точность (с одинаковой чернотой отверстия). Срабатывание черноты отверстия болтового соединения включает в работу прогон, точно также, как включаются в работу связи и распорки.

Введение. Актуальность исследуемой темы обоснована несоответствием данных эксплуатации широкой линейки реализованных по типовым сериям проектов стальных конструкций покрытий зданий с указаниями дополнения к п. 15.4.6 СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» (изм. 3) об ограничении применения прогонов в качестве элементов связей.

Цель. Расчетно-аналитическое обоснование механического процесса работы прогона в составе конструкций покрытия и явление изменения его напряженно-деформированного состояния в процессе нагружения для действительных условий сопряжения с поясами ферм.

Материалы и методы. Особое внимание уделено однопролетным прогонам и их роли в качестве раскрепляющих элементов сжатых поясов ферм при работе в направлении из плоскости фермы. Для численного расчета конструкций прогонов использован метод конечных элементов, реализованный в программном комплексе ЛИРА САПР. Предварительно прогон рассматривался как изгибаемый стержень (балка) на нагрузки от собственного веса, веса кровли и снега.

Результаты. Обоснована работа прогонов в качестве распорок, разделяющих сжатые пояса ферм на расчетные отсеки. Установлено, что фиктивная сила, возникающая от обжатия верхних поясов ферм, не оказывает решающего влияния на несущую способность прогонов, а обладает разгружающим эффектом при совмещении работы прогона на действие поперечной нагрузки. Изучено влияние определяющих факторов, характеризующих включение прогона в совместную работу с конструкциями покрытия, таких как чернота отверстия болта, сила затяжки болтового соединения, влияние эксцентриситета опирания прогона к поясам ферм.

Выводы. Проведенные исследования позволили сделать заключение о следующем: прогон является внецентренно-нагруженным стержнем, воспринимающим нагрузки от собственного веса конструкций, снега, ветра и фиктивных сил; контрольными параметрами установлено, что включение прогона в работу как раскрепляющего элемента происходит; совмещение функций несущей конструкции и распорки в одном элементе повышает показатели прочности прогона.

Введение. Балочные системы, несмотря на их простоту, являются наиболее распространенными типами систем строительных конструкций. Проектирование начинается с компоновки, в результате которой выбирается схема расположения ригелей (главных и рядовых), тип сопряжения (шарнирный или жесткий), выбирается основной критерий назначения шага рядовых ригелей. Проектное обоснование назначаемой компоновочной конструктивной схемы и выбор наиболее рационального решения позволяет сократить расходы на этапах жизненного цикла здания, таких как строительство, эксплуатация, реконструкция или модернизация. Накопленный и проанализированный объем типов примененных эксплуатируемых конструктивных решений покрытий гражданских зданий, множественные данные о характере развития и реализации повреждений в конструкциях данного типа, позволяют обосновано сформулировать цель исследования, которая заключается в расчетном обосновании предложенных принципов и критериев разработки рациональной конструктивной схемы балочных покрытий.

Методы. Для реализации указанной цели выполнены численные исследования с учетом варьирования наиболее значимых параметров, изменение которых влияет на результат поиска рациональных конструктивных схем балочных покрытий.

Результаты. По результатам систематизации данных выполненной работы предложен алгоритм создания рационального конструктивного решения балочных покрытий нетиповой геометрии. Алгоритм апробирован при нахождении рационального решения покрытия эксплуатируемого здания нетиповой формы размерами в плане 60,0 × 36,0 м.

Введение. В работе рассмотрены методы анализа воздействия ветрового потока на башенную каркасно-обшивную 12-гранную стальную градирню (БСГ) площадью орошения 1600 м². Основной целью проведения численных и экспериментальных исследований обтекания ветровым потоком БСГ является верификация полученных экспериментальных данных в аэродинамической трубе, а также выбора модели турбулентности, наиболее точно описывающей полученные явления при проведении экспериментальных исследований. Разработка башенных каркасно-обшивных стальных градирен сталкивается с рядом нерешенных задач, что значительно усложняет процесс проектирования. Главное препятствие – отсутствие в действующих нормативных документах четко обоснованных значений нагрузок и воздействий на подобные сооружения. Ветровое воздействие, будучи непостоянным по силе и направлению, оказывает значительное влияние на несущую способность градирни, с учетом ее формы. Данные исследования позволяют не только уточнить расчетные значения ветрового давления, но и разработать более эффективные методы расчета нагрузок на градирни.

Материалы и методы. Работа основана на использовании таких подходов строительной аэродинамики как тензометрические весовые исследования, метод дренирования моделей, методы визуализации ветрового потока «велосиметрия», или теневой метод, метод шелковинок, позволяющие всецело оценить поведение конструкции в ветровом потоке. С использованием софта AutoCAD CFD выполнен численный анализ с последующим сопоставлением полученных результатов данных с экспериментальными исследованиями. В ходе выполнения экспериментальной части исследования применялись модели, выполненные посредством 3D-печати для продувки в строительной аэродинамической трубе, учитывая каркас стальной обшивки градирни для определения действительных эпюр распределения давления ветра на башенную каркасно-обшивную градирню гиперболической формы с учетом сезонности эксплуатации, а также стадий возведения, для выявления наиболее неблагоприятных расчетных ситуаций влияния ветрового воздействия.

Результаты. Определены значения коэффициентов полного ветрового давления Сx, Cy, CMz, подтверждающие высокую сопоставимость экспериментальных данных в пределах от 95 % до 100 % с СП. Значения и характер распределения локальных аэродинамических коэффициентов Cp отличаются от предлагаемых в нормативных документах пиковых значений при активном давлении от 30 % до 50 %, протяженностью области и зон с отрицательными давлениями, возникающими при сходе вихря, выявлена независимость аэродинамического коэффициента Сp от числа Рейнольдса R_e в пределах от 2,71 × 10⁵ до 3, 29 × 10⁵. Выполнено обоснование теории Reynolds Averaged Navier-Stokes SST k-ω DES расчета, наиболее точно описывающего характер обтекания расчетных моделей ветровым потоком.

Выводы. Данные экспериментальных исследований позволили установить значения коэффициентов полного ветрового давления, критериев подобия, а также значения и характер распределения локальных аэродинамических коэффициентов на конструкцию градирни. По результатам проведенных численных и экспериментальных исследований предложена уточненная методика нормирования ветрового воздействия на каркасно-обшивную 12-гранную стальную градирню площадью орошения 1600 м² с учетом сезонности эксплуатации и этапов возведения.